放氧光合生物通過氧化光系統(tǒng)I（PSI）反應(yīng)中心葉綠素P700可以抑制活性氧的產(chǎn)生。 P700的氧化伴隨著PSI中的電子流支路（AEF-1）的出現(xiàn)，AEF-1對(duì)于光合線性電子流（LEF）是無效的。為了表征AEF-1，我們通過測(cè)量暗區(qū)間弛豫動(dòng)力學(xué)分析比較了小麥葉片二氧化碳（CO2）同化誘導(dǎo)期間P700和鐵氧還蛋白（Fd）的氧化還原反應(yīng)。在40 Pa的環(huán)境CO 2分壓和21kPa的環(huán)境O 2分壓下，開啟1000μmolm-2 s-1光化光，逐漸氧化P700（P700 +）并提高氧化態(tài)P700 +（vP700）的還原率和還原態(tài)Fd（vFd）的氧化率。 vFd與起始點(diǎn)的PSII表觀光合量子產(chǎn)率Y(II)呈正相關(guān); 通過CO2同化和光呼吸，線性電子傳遞LEF調(diào)節(jié)Fd的氧化還原轉(zhuǎn)換。vP700也表現(xiàn)出與Y（II）呈相關(guān)，但截距為正，而非零。也就是說，除了線性電子傳遞LEF外，PSI中的電子傳遞還包括電子流支路AEF-1中的電子流。這表明P700的氧化誘導(dǎo)電子流支路AEF-1。我們提出了潛在AEF-I的可能機(jī)制及其在減輕氧化損傷中的生理作用。
在高光，低溫/高溫或干旱條件下光合作用二氧化碳（CO2）同化效率的抑制會(huì)降低PSI中電子受體（NADP+）的再生效率，并增加類囊體膜PSI中的積累電子的風(fēng)險(xiǎn)。反應(yīng)中心葉綠素P700是PSI中的電子源，驅(qū)動(dòng)電子從質(zhì)體藍(lán)素（PC）到鐵氧還蛋白（Fd），最后傳給最終電子受體NADP +的電子傳遞反應(yīng)。完整向日葵（Helianthus annuus）葉片置于黑暗中，反復(fù)照射高強(qiáng)度短脈沖閃光使PSI電子傳遞反應(yīng)失活。短脈沖照射導(dǎo)致PSI受體側(cè)電子積累，刺激活性氧（ROS）的產(chǎn)生，如超氧自由基和單線態(tài)氧。相比之下，在穩(wěn)態(tài)光化光（AL）下的短脈沖照射處理事先啟動(dòng)P700氧化，就不會(huì)導(dǎo)致電子的積累或PSI的失活。這些數(shù)據(jù)表明電子在PSI受體側(cè)的積累增加了 ROS產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，使PSI和CO2同化失活。
光合生物利用不同的分子機(jī)制來氧化PSI中的P700。在P700得失電子轉(zhuǎn)換期間，光激發(fā)P700（P700 *）氧化和/或抑制氧化態(tài)P700（P700+）還原都會(huì)加速了P700氧化。此外，黃酮（FLV）依賴的電子流和光呼吸促進(jìn)P700 *氧化，以維持P700處于氧化狀態(tài)。另外還有，CO2同化和光呼吸過程中的光合線性電子流（LEF）誘導(dǎo)類囊體膜腔內(nèi)質(zhì)子（H +）的積累。腔側(cè)的酸化抑制了細(xì)胞色素b6 / f-復(fù)合物催化的質(zhì)體醌氧化，這也有助于P700的維持氧化態(tài)。在CO2同化和光呼吸過程中，ATP合成酶介導(dǎo)的類囊體膜上ADP和Pi的利用控制了H+的積累。這些導(dǎo)致P700氧化的分子機(jī)制統(tǒng)稱為P700氧化系統(tǒng)。
如上所述，黃酮FLV依賴性電子流和光呼吸中增強(qiáng)的電子通量有助于PSI中P700的氧化。另一方面，我們觀察到P700氧化伴隨著PSI中的過量電子流，這不完全是由LEF驅(qū)動(dòng)的；這種過量的電子流被稱為PSI中的替代電子流（AEF-1）。在這項(xiàng)研究中，我們使用DUAL /KLAS-NIR分光光度計(jì)（Walz，德國）對(duì)小麥（Triticum aestivum）葉子中的AEF-I進(jìn)行了分子表征，這是一種新型分光光度計(jì)，專門檢測(cè)P700+，氧化態(tài)PC（PC+）及還原態(tài)Fd（Fd-）。在誘導(dǎo)AEF-1期間，我們?cè)u(píng)估了P700，PC和Fd的氧化還原狀態(tài)之間的關(guān)系。此外，我們使用暗區(qū)間弛豫動(dòng)力學(xué)（DIRK）分析研究了P700+和PC+的還原速率與Fd-的氧化速率之間的關(guān)系。這些分析幫助我們了解調(diào)節(jié)AEF-1活化的機(jī)制以及P700氧化與AEF-1活性之間的關(guān)系。此外，我們研究了光合生物中P700氧化的生理功能。 P700的氧化還原周轉(zhuǎn)率遠(yuǎn)高于Fd，并且顯示出對(duì)小麥葉片中LEF的電子通量的絕對(duì)依賴性。換句話說，AEF-1中的電子通量由P700氧化誘導(dǎo)并在PSI內(nèi)起作用。另一方面，P700氧化有助于Fd-的氧化，從而揭示了P700氧化的新功能。我們通過抑制PSI中ROS的產(chǎn)生，提出了AEF-1的分子機(jī)制及其在減輕氧化應(yīng)激中的生理功能。
DIRK分析關(guān)閉光化光（AL）后小麥葉片中氧化態(tài)P700（P700 +），PC（PC+）和還原態(tài)Fd（Fd-）的衰減。使用Dual / KLAS-NIR分光光度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)P700，PC和Fd的氧化還原狀態(tài)的變化。為了確定在光化光條件下小麥葉片中P700+和PC+的還原速率和Fd-的氧化速率，在坐標(biāo)時(shí)間0點(diǎn)瞬時(shí)關(guān)閉AL并延續(xù)測(cè)量400ms。在坐標(biāo)時(shí)間0時(shí)刻P700+，PC +和Fd-的下降的初始斜率表明P700+和PC+的還原速率和Fd-的氧化速率。P700+，PC+和Fd-的初始斜率變化的特征是在葉溫25°C，O2分壓21 kPa 和光強(qiáng)1000μmolm-2s-1下測(cè)量70組平均得到的，A ：CO2分壓40 Pa，B：CO2分壓5Pa ，AL關(guān)閉后持續(xù)110 ms。這些數(shù)據(jù)是在穩(wěn)定狀態(tài)下獲得的，通過穩(wěn)定Y（II）的測(cè)量得到證實(shí)。
小麥葉片P700 +，PC +和Fd-與表觀Y（II）的關(guān)系。 P700 +，PC +和Fd-及表觀Y（II）均在葉溫25°C，O2分壓21kPa 和光強(qiáng)1000μmolm-2 s-1下測(cè)量。CO2分壓從40Pa到20Pa再到5 Pa逐步降低。 P700 +，PC +和Fd-的數(shù)據(jù)來自5個(gè)平行植株。 CO2分壓的下降使得Y（II）下降。通過獲得穩(wěn)定的Y（II）證實(shí)了在幾個(gè)CO2分壓下測(cè)量時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的。空心圓，PC+;實(shí)心圓，P700+，倒三角形，Fd-。
小麥葉片中vPC，vP700和vFd與表觀Y（II）的關(guān)系。數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為光化光關(guān)閉后5ms的相對(duì)變化（％），vPC，vP700和vFd與表觀Y（II）的數(shù)據(jù)來自5個(gè)平行植株光化光關(guān)閉后的初始變化，CO2分壓的下降使得Y（II）下降。空心圓，vPC;實(shí)心圓，vP700; 倒三角形，vFd。
小麥葉片光合誘導(dǎo)的P700+、PC+和Fd-的響應(yīng)。在0 s處，打開光化光AL照射小麥葉片。在葉溫25°C，O2分壓21kPa ，CO2分壓40Pa和光強(qiáng)1000μmolm-2 s-1下測(cè)量P700+（A）、PC+（B）和Fd-（C）。P700+、PC+和Fd-的響應(yīng)數(shù)據(jù)來自5個(gè)平行植株。I、時(shí)期I；II、時(shí)期II；III、時(shí)期III。
小麥葉片光合誘導(dǎo)的vP700、vPC和vFd的響應(yīng)。在0 s處，打開光化光AL照射小麥葉片。在葉溫25°C，O2分壓21kPa ，CO2分壓40Pa和光強(qiáng)1000μmolm-2 s-1下測(cè)量vP700（A）、vPC（B）和vFd（C）。vP700、vPC和vFd的響應(yīng)數(shù)據(jù)來自5個(gè)平行植株。在指定的時(shí)間點(diǎn)引入DIRK分析的瞬態(tài)（400ms）黑暗（關(guān)光化光）。數(shù)據(jù)為mean±SD（SD;n=5）。I、時(shí)期I；II、時(shí)期II；III、時(shí)期III。
AEF-1的假設(shè)途徑。光激發(fā)P700（P700 *）向第一個(gè)電子載體A0提供電子，產(chǎn)生P700 +。隨后，P700+接受由PC傳遞的來自PSII的電子以完成P700再生。A0將電子提供給第二電子載體A1。此后，電子分別通過第三和第四電子載體Fx和FA / FB流向鐵氧還蛋白（Fd）。空心箭頭表示光下氧化還原循環(huán)中的P700周轉(zhuǎn)。實(shí)線箭頭表示電子流動(dòng)。虛線箭頭表示電荷重組過程中的電子流動(dòng)。電荷復(fù)合是附加電子流動(dòng)的機(jī)制之一。
Kadota K, Furutani R, Makino A, et al. Oxidation of P700 Induces Alternative Electron Flow in Photosystem I in Wheat Leaves. Plants, 2019, 8(6): 152.